针对780 nm近红外高光谱分辨率激光雷达（HSRL）技术在铷吸收池光谱鉴频器性能分析及设计优化等方面的不足，系统性地开展了理论分析及模拟研究工作。基于⁸⁷Rb原子吸收光谱，建立了780 nm HSRL模拟仿真模型。结合蒙特卡罗方法，详细探讨了大气回波信号信噪比、铷吸收池温度、发射激光频率稳定性等因素对光谱鉴频效果及气溶胶后向散射系数反演结果的影响。研究结果表明，当铷吸收池长度为63 mm时，其最佳工作温度为70 ℃，此时光谱分离比可达到10⁵，并可忽略混合通道透过率；铷吸收池工作温度波动范围控制在±1 ℃时，后向散射系数反演误差低于5%；激光频率波动在100 MHz以内时，对应的后向散射系数反演误差低于0.1%。在上述条件下，反演误差主要受大气回波信号信噪比影响。本研究工作为780 nm近红外HSRL系统的设计与实现提供了重要的理论依据和参考，为拓展HSRL技术工作波长奠定了重要基础。

针对饱和吸收光谱激光稳频技术中多吸收峰难以自动识别、误差信号灵敏度低的问题，提出了一种基于卷积神经网络（CNN）智能识别铷原子吸收峰的激光频率锁定方法。首先设计了大、小卷积核相结合的5个卷积-ReLU-最大池化模块+两层全连接层的一维卷积神经网络；然后对激光器进行线性扫频，获得了包含24个饱和吸收峰的铷原子的饱和吸收光谱信号Ssa(t)，提取每个吸收峰的位置序号，将其与饱和吸收光谱信号作为卷积神经网络训练的标签和数据，利用训练后的卷积神经网络实现吸收峰的智能识别；最后采用正交解调技术精确提取饱和吸收光谱信号的相位，使本振信号相位与其自动匹配，提高误差信号的灵敏度。设计了基于上位机卷积神经网络智能寻峰+现场可编程门阵列（FPGA）实时信号处理的激光频率锁定系统，锁定后的激光频率与光频梳拍频结果表明：在7500 s内，激光频率波动标准差为7.94 kHz；平均时间为64 s时，相对Allan方差为3.50×10^-12。所提出的方法可被广泛应用于饱和吸收光谱激光稳频领域。

1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分，在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用，实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源，倍频至780 nm波段后，利用调制转移光谱(MTS)将倍频光锁定在铷原子(⁸⁵Rb)D2线的3-4交叉峰上；并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号，最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频，通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析，积分时间为10 s时，相对频率稳定度为1.4×10^－11。

报道一种自主设计研制的面向Rb原子精密测量应用的780 nm高功率激光源样机。该样机采用线偏振、窄线宽且频率可宽带调谐的单个1560 nm光纤激光器作为种子源,通过有效提升光纤放大器的输出功率,经PPLN倍频产生的780 nm激光功率高达2.25 W。采用边带锁定的饱和吸收稳频技术,高功率780 nm激光中心频率可长期稳定在±150 kHz以内,且可精确调谐1.2 GHz,线偏振度高达23 dB。该样机操作方便、可搬运,非常适合于Rb原子的精密测量应用。

将冷原子、超快和强激光技术结合,本课题组最近成功研发了一种新型磁光阱反冲离子动量谱仪(MOTRIMS)装置。介绍了MOTRIMS工作原理,使用吸收成像法和光电离法对靶的密度、温度和速度进行分析标定,得到三维MOT靶的温度为(130±30) μK,速度为(0.1±0.1) m/s,密度约为10 9 atom/cm 3,二维MOT和molasses靶的密度分别约为10 7 atom/cm 3和10 8 atom/cm 3。对比热蒸气靶,在离子飞行方向上冷原子靶的动量分辨率提高了约14倍,飞行时间谱的质量分辨率高达3000。利用800 nm飞秒激光探测Rb +的三维动量分布,在低激光强度10 11 W/cm 2下观测到明显的阈上电离现象,表明铷原子有很大的阈上电离截面。MOTRIMS具有高分辨离子动量分布全空间成像能力,是研究金属原子强场量子微观动力学的新工具。

设计了一种基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达。发射系统以分布反馈式半导体激光器为种子源,利用脉冲电流驱动的锥形半导体光放大器实现窄线宽微脉冲激光输出。分光系统由干涉滤光片、法布里-珀罗标准具和铷原子吸收池构成。干涉滤光片带宽为0.5 nm,法布里-珀罗标准具的半峰全宽为2.8 GHz,二者串联可有效剔除太阳背景光。温度为338 K的铷原子吸收池对米氏散射信号的抑制比达33 dB,可有效提取瑞利散射信号。基于美国标准大气模型对系统进行了数值仿真,验证了系统的探测能力。研究结果对气溶胶光学参量的探测研究具有重要意义。

为了获得结构简单、成本相对低廉的高功率780nm激光, 采用了单块倍频晶体的腔外倍频方法。分布式反馈半导体激光器产生的连续激光注入光纤放大器后, 通过周期极化铌酸锂晶体进行准相位匹配, 取得了铷原子的饱和吸收光谱。结果表明, 该激光器产生了1.2W的倍频光, 具有较高的输出功率。这一结果对铷原子钟、原子干涉仪等冷原子物理实验的小型化是有帮助的。

在核磁共振陀螺系统中, 需要用圆偏振光来泵浦碱金属(例如铷)原子, 使其产生极化。然而实际应用中的泵浦光不是理想的圆偏振光, 为了研究泵浦光椭圆度与铷原子极化率的变化关系, 推算了泵浦光经过四分之一波片后的表达式, 并由此得出泵浦光照射铷原子气室前的椭圆度, 建立了数值仿真模型, 研究了椭圆度对铷原子极化率的影响。同时通过实验得到了铷原子极化率与椭圆度的关系曲线。仿真和实验结果表明, 泵浦光椭圆度越大, 铷原子极化率越大, 随着椭圆度的进一步增大, 铷原子极化率增速变慢逐渐饱和; 此外, 相同的椭圆度下, 铷原子极化率随着泵浦光功率的增大而增大。

在高精度原子陀螺仪研究中,需要通过加热铷源释放铷原子,而铷原子释放速率和数量稳定性直接影响原子陀螺仪的精度。为了实现铷源的精密温度控制,设计了一种直接利用温控芯片控制和加热铷源的精密温控系统。该系统运用LTC1923驱动外部的全桥驱动管控制低磁线圈对铷源加热。经实验测定,铷源的温度稳定性能够稳定在±0.3 ℃以内。该温控精度能够使得腔体中铷原子的数量具有很好的稳定性,为原子陀螺的实现奠定了技术基础。该控制系统具有温控精度高、体积小、操控简单等特点。

外腔谐振倍频是获得397.5 nm 紫外激光的重要方法。搭建了基于周期极化的磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体的半整体谐振腔，对经半导体锥型放大器放大的795 nm 单频连续激光进行谐振倍频。在203 mW 的795 nm 基频光输入条件下，实现了60.4 mW 的397.5 nm 连续单频紫外激光输出，倍频转化效率为30%；在基频光功率约87.5 mW 时，得到最大的倍频效率约为34.6%。倍频紫外光光束质量因子M2优于1.21，光束质量良好，30 min内典型的倍频光功率均方根起伏小于1.9%。该倍频器结构紧凑，具有很好的机械稳定性，可实现紫外激光的稳定输出，可用于产生对应铷原子跃迁线的压缩、纠缠态光场，在量子光学和精密测量等领域发挥重要作用。